水利機電設(shè)備的虛擬裝配技術(shù)淺析

李文華

（長江工程監(jiān)理咨詢有限公司（湖北），湖北 武漢 430010）

水利機電設(shè)備的虛擬裝配技術(shù)淺析

李文華

（長江工程監(jiān)理咨詢有限公司（湖北），湖北 武漢 430010）

對水利機電設(shè)備的虛擬裝配技術(shù)展開分析，對常用的技術(shù)特點、水利機電設(shè)備的安裝要求、應(yīng)用模式和實踐進行分析，得到一定的可行性建議，為水利機電安裝工程的管理和安裝技術(shù)提供一定的依據(jù)。

虛擬裝配；安裝；水電；機電

2016年12月《水利改革發(fā)展“十三五”規(guī)劃》正式發(fā)布，提出到2020年建成防洪抗旱減災(zāi)體系、水資源配置和利用體系，屆時我國的水利基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)將進一步得到完善。未來水利工程的建設(shè)將進一步擴大規(guī)模，而水利機電設(shè)備作為水利工程項目不可或缺的一部分，其裝配就成為了關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。如何優(yōu)化水利機電安裝成為當(dāng)前的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

虛擬裝配是在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)階段，通過技術(shù)仿真在虛擬環(huán)境下對產(chǎn)品的裝配過程進行預(yù)演，提前通過三維可視化技術(shù)將整個模擬安裝過程，從而發(fā)現(xiàn)問題，驗證裝配可行性和裝配性能。相對于傳統(tǒng)安裝采用的“預(yù)裝整體調(diào)整法”安裝技術(shù)，虛擬安裝具有很好的協(xié)調(diào)性，將對機電安裝工程的管理和安裝技術(shù)具有極大的借鑒意義和參考價值。本文對水電設(shè)備虛擬裝配的技術(shù)特點，應(yīng)用模式和實踐展開分析。

1 虛擬裝配技術(shù)概述

1.1 技術(shù)概述

虛擬裝配技術(shù)是基于人機交互模式下的一種仿真技術(shù)，通過與計算機虛擬的物體進行實時交互，在虛擬環(huán)境下模擬出裝配的整個過程。最早的虛擬裝配技術(shù)是在上世紀90年代出現(xiàn)，如今經(jīng)過計算機技術(shù)的進步和演變，這一技術(shù)越來越成熟，對設(shè)備的可裝配性、可拆卸性、可維修性、裝配精度都能夠很好的模擬，從而提高試裝成功率，提高裝配質(zhì)量。機電安裝是水電建設(shè)中的重點主體工程之一，安裝難度大，利用虛擬裝配能夠有效的提高裝配的成功率。

與傳統(tǒng)裝配工藝規(guī)劃方法相比，虛擬裝配的特點如下。

第一，虛擬性，虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供一種高度逼真、直觀自然的交互環(huán)境，能夠?qū)崟r的觀察水電機電設(shè)備裝配過程以及產(chǎn)生效果。

第二，協(xié)同性，這種協(xié)同是指在人與機器之間的協(xié)同，走人機一體的技術(shù)路線，共同構(gòu)成一個系統(tǒng)。

第三，集成性，虛擬技術(shù)實現(xiàn)了裝配建模，裝配仿真以及工藝規(guī)劃，從而得到實物的初始裝配工藝，并驗證裝配的可行性等。

1.2 虛擬裝配技術(shù)體系

其技術(shù)體系如圖1，幾個重要的裝配技術(shù)模塊包括了CAD幾何建模，三維虛擬仿真、裝配分析。整個虛擬裝配的實現(xiàn)過程可以概括如下：首先，基于CAD模型，提取三維幾何數(shù)據(jù)；其次，建立信息集成的裝配模型，生成設(shè)備裝配的屬性關(guān)系，基于虛擬三維仿真系統(tǒng)，觀察和操作零部件模型，生成裝配序列、路徑和可行的裝配方案，最終落實這一方案，引入裝配分析系統(tǒng)驗證裝配方案的可行性。

圖1 虛擬裝配技術(shù)體系圖

2 虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用

裝配模型是裝配分析的最初環(huán)節(jié)，下面以對水輪發(fā)電機虛擬安裝來探討其具體的應(yīng)用過程。

2.1 裝配結(jié)構(gòu)

裝配結(jié)構(gòu)反映了產(chǎn)品的構(gòu)成，把裝配體、子裝配體和零件之間的關(guān)系表現(xiàn)為一種結(jié)構(gòu)圖的形式（見圖2），從而構(gòu)造裝配BOM，快速了解裝配體的基本構(gòu)成，定制產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，并且支持并行裝配的指導(dǎo)。

圖2 裝配結(jié)構(gòu)圖

水輪發(fā)電機裝配是一個涉及零部件多、部件間干擾大，需要準確合理地將它們反映到構(gòu)建的虛擬裝配模型中，其裝配結(jié)構(gòu)中包括了如下的關(guān)系。

位置關(guān)系，描述水電機電設(shè)備中兩個零部件之間的幾何安裝位置，反映出配合關(guān)系和距離關(guān)系。配合包括了平面貼合、平面對齊、夾角配合、柱面配合等，同時還有過渡配合、過盈配合。距離關(guān)系反映出零件之間接觸關(guān)系，按精度分類。

緊固關(guān)系，兩個零件成為一體，零件間的緊固方式是必須考慮的。其包含了焊接、鉚接、銷連接、螺紋等多種連接方式，傳動關(guān)系反映零部件之間的相對運動和傳動關(guān)系，如鏈傳動、帶傳動、繞軸的旋轉(zhuǎn)等。

2.2 虛擬技術(shù)下的網(wǎng)絡(luò)計劃編制

安裝一般是分步進行，加快進度的方法是采用并行施工或交叉作業(yè)的方式，在水電站機電安裝過程的分步中，受到施工競爭的影響，如工期要求，空間布置、工藝邏輯、工藝組織等眾多因素影響下，傳統(tǒng)工藝不再適應(yīng)，所以虛擬裝配的優(yōu)勢凸顯出來，“網(wǎng)絡(luò)計劃技術(shù)”已經(jīng)成了一種工程管理不可缺少的方法，利用“網(wǎng)絡(luò)計劃技術(shù)”模擬計算，明確項目關(guān)鍵路線和關(guān)鍵工作點，對空間資源加以整合計算可以獲得一套施工信息，避免窩工、誤工情況等，解決施工中遇到的空間沖突矛盾時有較強的靈活性，對水電站機電安裝工程有著重要的現(xiàn)實意義。

一級網(wǎng)絡(luò)計劃是根據(jù)項目實際來設(shè)計安裝，施工初期利用原有的資料與施工經(jīng)驗先編制出的網(wǎng)絡(luò)計劃初稿，然后再結(jié)合實際中我國的一些水電站的施工經(jīng)驗資料的匯總，針對項目自身的特點，進行合理的修正和完善，在實際的施工安裝過程中，水電站的場地受到限制，工位十分緊張，而且很多的水電站都是位于深山峽谷之中，施工場地的布置困難，實際的機電安裝所需的拼裝緊缺。如大朝山電站發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)輪、上下機架等大型的組裝件在工期限制下，而實際的安裝面積只有不到1200平米，這就使得很多工位以及進場都十分的困難。為此需要編制工位的網(wǎng)絡(luò)圖，適當(dāng)?shù)哪M增設(shè)工作平臺。

另外，很多的水電站的交通條件很差，距離工地距離太遠，而且長期受到雨水沖刷，道路泥濘，且容易塌方，利用虛擬技術(shù)來模擬編制成套的運輸計劃，例如可以將搭建的運輸安排在旱季。

在水電設(shè)備安裝過程中，工期也是一個重要的因素，一方面要在施工的過程中配合土建的進度，又要保障自己的進度，而且其中很多的工序?qū)嶋H上是交叉的，例如壓力鋼管下平段安裝在主廠房，通過這些節(jié)點的按期實現(xiàn)來有效保證年度工期的目標實現(xiàn)以及廠房開挖結(jié)束時的再進行安裝。利用虛擬裝配技術(shù)進行分析和實驗，還可以對網(wǎng)絡(luò)計劃進行修正，通過模擬，編制出更為準確、精確的，更符合施工條件的網(wǎng)絡(luò)計劃，有效指導(dǎo)整個機電的安裝過程，虛擬技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)計劃進一步的編制出二級、三級等一系列網(wǎng)絡(luò)計劃，便與合理安排安裝施工、勞力調(diào)配以及資源消耗量的計算。

2.3 裝配可視化

利用現(xiàn)行的計算機輔助和VR系統(tǒng)，通過輸入到虛擬環(huán)境，通過三維交互設(shè)備和顯示設(shè)備，可以選擇、生成、修改裝配軌跡或進行裝配。可視化的模塊部分可以為用戶提供監(jiān)測警告，如果軌跡信息、裝配順序的不合理，都會產(chǎn)生影響，施工人員可以直接觀察和操作零部件模型，同時進行裝配復(fù)雜度估算、裝配成本估算及裝配過程人機工程估算等。

2.4 虛擬技術(shù)的效果

目前虛擬裝配技術(shù)已經(jīng)在很多水電設(shè)備中得到使用，如公伯峽水電站、大朝山電站，通過虛擬技術(shù)的應(yīng)用，提高的不僅僅是水電站的設(shè)備裝配效率，通過系統(tǒng)實施,也能促進工程管理人員現(xiàn)代管理觀念的更新, 增強機件模型的真實感。尤其是針對一些項目比較復(fù)雜、工期緊張、規(guī)模特大的水電站設(shè)備裝配，虛擬技術(shù)有著很大的優(yōu)勢，針對出現(xiàn)的各種不確定因素以及協(xié)調(diào)工作容易偏差的問題而進行動態(tài)監(jiān)控管理，從而將這些問題進行有效的解決。

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